Proceeding Seminar Nasional Tahunan Tekn
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Perencanaan Sistem Pendingin Udara Masuk Gas Turbin 15 o C
Menggunakan Absorption Chiller di PLTGU UBP PRIOK
Agung Subagio¹∙ᵃ , Budihardjo, Rivaldo Garchia¹
Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, Indonesia (16424)
Tel : (+62 21) 7270032 ext. 203. Fax : (+62 21) 7270033
ᵃemail: agsub@eng.ui.ac.id, rivaldo.garchia@ui.ac.id
Abstrak
Menaikan daya output turbin gas dapat dilakukan dengan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas
tersebut, karena daya output turbin gas dapat dihitung dengan perkalian aliran masa udara dengan jatuh
enthalpy pada turbinnya. Dalam PLTGU sudah tersedia uap sebagai penggerak turbin uap, namun
sumber panas tersebut dapat dipergunakan sebagai penggerak mesin Absorbtion Chiller, yang akan
mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas. Beban pendinginan udara dihitung berdasarkan data cuaca
selama 24 jam pada keadaan cuaca maximum dan pola operasi PLTGU serta penggunaan Thermal Energy
Storage (TES) , agar kapasitas mesin pendingin optimal, sehingga tingkat Benefit Cost dan Financial
parameter memenuhi persyaratan perbankan.
Perhitungan beban pendinginan berdasarkan udara masuk turbin gas sebesar 15 0C sesuai standar ISO dan
pola operasi PLTGU selama 12 jam , sehingga 12 jam lainnya merupakan waktu operasi mesin pendingin
untuk menyimpan air dingin didalam TES, yang berguna untuk memperkecil kapasitas mesin pendingin.
Kebutuhan uap sebagai penggerak Absorbtion Chiller diperhitungkan sesuai beban pendingin tersebut,
termasuk penurunan kapasitas turbin uap. Biaya pembangunan pemasangan sistim pendingin dan TES
dihitung, agar dapat menghitung parameter financial seperti Net Present Value (NPV), Internal Rate of
Return (IRR) dan Benefit Cost Ratio (BCR).
PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW pada
suhu operasi 33 0C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C, diperoleh kenaikan daya
turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW.
Dari data operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip
listrik
Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20 tahun, dan total investasi pemasangan sistim
pendingin sebesar USD 11,271,097.- , maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR : 2.06 , IRR : 42.15
% . Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun dengan
asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.
Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendingin
untuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan.
tambahan daya
uadara
masuk
lebih dari 10%, apabila
ke
turbin
diturunkan
temperature 150C. Karakteristik
1.
Pendahulua
Turbin Gas yang terpasang di daerah udara
panas
seperti
Indonesia,
mengalami
penurunan daya output dibandingkan dengan
kemampuannya dari pabrikan, karena diuji
kinerjanya
pada temperatur 150C sesuai
mendekati
daya
output terhadap perubahan
temperature udara masuk, yakni sesuai dengan
perhitungan daya output turbin gas yang
merupakan fungsi dari aliran masa udara
masuk, dimana makin dingin temperature
udara maka akan makin berat udara tersebut,
karena density akan lebih besar, apabila
temperature udara tersebut makin dingin.
Untuk mendinginkan udara masuk ke
dengan standart ISO. Oleh karena itu dengan
temperatur rata-rata 330C khususnya di
Jakarta, menyebabkan penurunan kapasitas out
Turbin Gas cukup berarti, yakni lebih dari
10 %, sehingga potensi tersebut perlu
diberdayakan,
bahkan
akan
mendapat
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
kompresor dari 330C menjadi 150C perlu
mesin
pendingin,
baik
menggunakan
mechanical
refrigeration
atau
dengan
absorbtion refrigeration. Kedua jenis mesin
pendingin tersebut perlu dikaji pemilihannya,
karena menyangkut kinerja mesin pendingin
terhadap daya out put turbin gas yang
dihasilkan, baik dari sisi teknis maupun sisi
ekonomis yang perlu dipertimbangkan.
PLTGU Tanjung Priok Blok 1 terdiri dari 3
unit Turbin Gas (ABB-GT 13 E1)dengan
kapasitas rata rata 130 MW pada kondisi ISO
(150C), sedangkan kondisi temperature
Grafik 4.2 Data temperatur per jam PLTG
Tj Priok tiap bulan
operasional di Tanjung Priok sebesar ratarata 33 0C ( siang hari). Dari data operasi th
2014 diperoleh produksi listrik sebesar
1,059,664.000.- kWh dari 2 unit turbin gas
dengan output rata-rata 100 MW dan pola
operasi 12 jam per hari . Oleh karena itu
apabila temperaturnya diturunkan menjadi
150C, maka akan diperoleh tambahan daya
2.2 Diagram GT + Absorption
Chiller
sebesar 2 x 30 MW: 60 MW.
Perhitungan beban pendingin untuk
mendinginkan udara masuk Turbin gas
menjadi suhu 15 0 C dan penggunaan Thermal
Energy Storage (TES) akan menghasilkan
kapasitas mesin pendingin yang optimal,
sehingga diperoleh biaya investasi tidak terlalu
tinggi dibandingkan keuntungan financial
yang diperoleh .
2.
ANALISIS PERHITUNGAN
2.1
Analisis Kondisi Lingkungan
Gambar 4.1 Skematik PLTG
dengan Absorption Chiller
Diagram diatas menggambarkan komponenkomponen
yang
ada
dalam
sistem
absorption chiller. Absorption Chiller (Sistem
Pendingin Penyerepan Uap) adalah alat
penukar kalor yang berfungsi sebagai
pendingin dengan menggunakanprinsip kimiafisika, dimana sebagai pengganti kompresor
untuk menaikan tekanan refrigerannya terdapat
absorber, pompa dan generator dengan fungsi
yang sama.
Wilayah Tanjung Priok termasuk dalam
daerah beriklim tropis dengan perbedaan
curah hujan yang cukup kecil sekali dan di
pengaruhi oleh iklim musim. Secara umum
daerah tanjung priok memiliki dua musim yaitu
musim kemarau antara bulan April-September
dan musim hujan antara bulan OktoberMaret dimana temperatur rata-rata tiap jam
dan tiap bulannya dapat dilihat dari grafik
dibawah ini. Dalam hal ini tempertaur
udara ambient yang di ambil sebagai acuan
udara masuk turbin gas sebesar 33o C.
2.3 Perhitungan Beban Pendingin
Menentukan panas yang diserap dari
temperatur ambient PLTG TJ Priok hingga
mencapai temperatur yang di inginkan seperti
temperatur standar menurut ISO yaitu 150C .
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
rata- rata tiap jamnya. Untuk mendapatkan
total beban pendingin antara pukul 09.00 –
21.00. Pertama kali kita harus mencari energi
listrik yang dibutuhkan untuk sistem
pendingin tersebut dengan menggunakan
integral fungsi kuadrat grafik diatas.
Dimana ;
= laju massa udara pada PLTG TJ Priok yaitu
467 kg/s
= Kalor jenis udara yaitu 1,006 kJ/kg.K
= Perubahan temperatur ambient menjadi
temperatur yang diinginkan
2.3.1.
Beban pendingin dari temperatur
ambient ke temperatur 150C
Sistem pendingin ini nantinya akan bekerja
selama 24 jam, artinya selama 24 jam
penuh sistem pendingin akan menghasilkan
air pendingin yang akan disalurkan ke cooling
coil untuk mendinginkan udara masuk.
Grafik 4.3 Data beban pendingin dari
temperatur ambient hingga temperatur
150C
Grafik di atas menunjukan beban pendingin
pada PLTG TJ Priok dari temperatur
ambient hingga temperatur standar ISO yaitu
150C tiap jamnya selama 24 jam tiap bulannya.
Maka beban pendinginan yang dibutuhkan
untuk mendinginkan temperatur udara ambient
ke temperatur udara sesuai standar ISO
150C adalah 11034,9 kW.
Dari grafik diatas beban pendinginan yang
akan digunakan berada di titik antara
pukul 09.00–21.00. Hal ini karena, pada pukul
tersebut turbin gas bekerja dan membutuhkan
pendinginan di bagian inlet kompresornya.
2.3.2 Dimensi Thermal Energy Storage
untuk temperatur ambien 150C
Dari perhitungan sebelumnya, beban
pendinginan pada temperatur 150C diperoleh
sebesar 11034,9 kW. Pada PLTG TJ Priok satu
thermal energy storage dipergunakan untuk
mendinginkan 2 turbin gas sehingga beban
pendingin totalnya adalah 22069,8 kW.
Untuk mendapatkan udara masuk ke
Kompresor dengan suhu 150 C, maka perlu
air pendingin dengan suhu minimum 80 C,
dengan ∆T ideal/optimum sebesar 70 C.
Sedangkan suhu air keluar dari cooling coil
Grafik 4.4 Data beban pendingin rata-rata
tiapjamnya dari temperatur ambient hingga
150C
Grafik diatas menunjukkan beban pendinginan
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
0
nominalnya adalah 20 C.
Jika kalor jenis air adalah 4,18 kJ/kg.K ,
maka kebutuhan aliran air dari cooling coil
sebesar :
•
Tout (Chilled Water) = 8o C
•
Tin (Chilled Water) = 20 0C
•
Q = 22069,8 kw (2 turbin gas)
•
Cp =4,18 kj/kg.K
Gambar 4.5Thermal energy
Storage
2.5
Perhitungan
Pendingin
COP
Sistem
Absorption Chiller
Dalam perhitungan siklus absorpsi ini,
refrigeran dan absorber yang digunakan
Water-
Apabila proses pendinginan air pendingin
berlangsung selama 24 jam maka volume
tangki dari Thermal Energy Storage sebesar:
Lithium
yang
Bromide
(LiBr-H O).
Data-data
digunakan dalam perencanaan adalah :
Untuk mendinginkan temperatur udara masuk
kompresor
hingga
mencapai
150C
dibutuhkan ukuran tangki Thermal Energy
Storage dengan volume sebesar 38014 m3.
1. Temperatur kondensasi
: 60°C
2. Temperatur evaporasi
: 1°C
3. Temperatur absorber
: 30°C
4. Temperatur generator
: 110°C
Dalam perhitungan selanjutnya penulis akan
memberikan komparasi perhitungan COP
dengan membedakan variasi temperatur pada
kondenser, evaporator, absorber dan generator
untuk mendapatkan nilai efisiensi turbin paling
tinggi dalam siklus pendingin absorber chiller
ini
2.4 Skematik Thermal Energy Storage
Perlu dijelaskan bahwa Thermal Energy
Storage memiliki 2 suhu air, yakni bagian atas
bersuhu tinggi dan bagian bawah bersuhu lebih
dingin. Hal tersebut terpisah karena air
bersuhu lebih tinggi akan mempunyai density
lebih ringan, dibandingkan dengan air bersuhu
lebih dingin, sehingga air dengan beda suhu
akan terpisah, seperti terlihat dalam gambar
dibawah ini.
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Kondisi Termodinamika
• Titik 6, refrigeran dari kondenser dengan
kondisi saturated liquid
• Titik 8, refgiferan dari evaporator dengan
kondisi saturated vapour :
• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap
air setelah keluar dari generator:
Perpotongan antara T6 dan T4 pada duhring
diagram
4.6 Gambar Duhring Plot Diagram
• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap
air setelah keluar dari absorber:
Perpotongan antara T8 dan T2 pada
duhring diagram
• Titik 2 dan 1 terjadi isoenthalpi
4.7 Gambar Skematik Absorption chiller
• Titik 4 dan 3 terjadi isoenthalpi h4 = h3
• Titik 5, refrigeran panas dalam keadaan
jenuh dari generator :
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
•. Laju massa di Generator dan Absorber
•. Beban Refrigerasi
Laju massa larutan LiBr lemah dan kuat yang
terdapat pada generator dan absorber akan
berbeda beda untuk penurunan temperatur
hingga 150C. Laju massa pada larutan LiBr
lemah dan kuat dapat dicari dengan cara
sebagai berikut:
•. Beban Kondenser
Dengan menggunakan simulasi perhitungan
EES (Engineering Equation Solving) di
dapatlah laju massa aliran larutan LiBr lemah
dan kuat sebagai berikut
•. Beban Generator
•. Beban Absorber
2.5 Grafik perubahan daya dan Efisiensi
Thermal Siklus Dan Daya Output Turbin
Gas GT 13E
•. Coefficient of Performance
•. Laju massa di evaporator
Laju massa yang berada pada evaporator
untuk penurunan temperatur hingga 150C.
Laju massa pada evaporator dapat dicari
dengan cara sebagai berikut:
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Kedua grafik diatas merupakan karakteristik
mesin turbin gas GT13EI terhadap perubahan
temperatur ambient. Terlihat bahwa semakin
rendah temperatur udara ambient yang masuk
kedalam kompresor maka semakin tinggi
efisiensi thermal siklusnya, termasuk daya
output turbin akan meningkat.
Kenaikan Efisiensi Thermal Siklus dan Daya
Output Turbin Gas GT 13E
TURBINE INLET
AIR
15 °C
No.
1.
URAIAN
Kenaikan
15,14 MW
2.
Kenaikan
3,9 %
Effisiensi
Kenaikan daya output dan efisiensi thermal
siklus PLTG oleh absorption chiller didapat
dengan memasukkan variabel temperature
ambient terhadap persamaan grafik spesifikasi
turbin GT 13EI di atas.
2.6 Perhitungan pengurangan daya Steam
Turbin
Pembangkit listrik yang berada pada
PLTGU TJ Priok menggunakan prinsip
combine cycle, artinya selain menggunakan
turbin gas untuk menghasilkan daya listrik,
energi dari gas pembungan turbin digunakan
untuk enghasilkan steam oleh HRSG (Heat
Recovery Steam Generator) sebagai suplai
steam untuk unit pembangkit listrik tenaga uap.
Meskipun dengan adanya sistem pendingin
absorption chiller meningkatkan efisiensi
thermal dan daya turbin gas, namun pada
turbin uap terjadi penurunan daya yang
dihasilkan akibat pemakaian laju aliran massa
steam sebagai pemanas pada bagian generator
chiller. Daya yang terpakai untuk sistem
absorption chiller
Dengan melihat perhitungan di atas, meskipun
daya yang terpakai oleh sistem absorption
chiller sebesar 3,27 MW. Hal ini engakibatkan
daya output yang dihasilkan oleh turbin uap
berkurang. Akan tetapi, dengan adanya system
pendingin pada absorption chiller ini daya
utput yang dihasilkan oleh turbin gas
meningkat sebesar 11,87 MW.
3. Analisis Finansial
Analisis keuangan dihitung berdasarkan data
operasi tahun 2014 , dimana beban tidak 100
%, tetapi hanya 83 MW, sehingga kenaikan
daya output turbin gas 11 MW dan kenaikan
efisiensi
termal
4
%.
Dengan
memperhitungkan biaya EPC, bunga pinjaman
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Bank, diperoleh hasil perhitungan sebagai
berikut :
No.
1.
2.
3.
4.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Description
Investment Cost (USD)
Output Increment per MW
Capacity Increment (MW)
Production Increment (kWh)
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
Financial Assumed
MARR
Economic Lifetime (years)
Tariff (IDR/kWh)
Analysis Result
NPV
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
BCR
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
FIRR
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
TURBI NE INLET AIR TEMPERATURE (°C)
15
20
25
Scenario A
Scenario B
Scenario C
11.271.09
8.455.43
6.764.34
711%
6
9
8%
5%
11
8
5
116.013.07
40.150.00
57.816.00
84.373.14
29.200.00
42.048.00
52.733.21
18.250.00
26.280.00
12%
20
732
12%
20
732
12%
20
732
24.295.97
817.21
6.284.64
17.320.92
245.46
4.221.77
2,06
1,05
1,37
2,02
1,02
1,34
1,79
0,84
1,13
42,15
13,16
20,40
%
40,71
12,47
19,56
%
31,71
8,66
14,66
%
9.332.38
1.145.41
4. KESIMPULAN
Dengan kapasitas pendinginan 11034,9 kW
untuk menurunkan temperatur ambient hingga
15 0C dapat direncanakan sistem pendingin
absorption chiller dengan perencanaan sebagai
berikut:
a. Temperatur Absorber = 30 0C
b. Temperatur Evaporator = 1 0C
c. Temperatur Generator = 110 0C
d. Temperatur Kondensor = 60 0C
Dari perencanaan tersebut didapatkan COP
Sebesar 0,7901.
Perubahan Temperatur pada masing-masing
komponen kondenser, absorber, evaporator dan
generator berpengaruh pada perubahan COP
Thermal Energy Storage (TES) berfungsi
untuk menyimpan air pendingin yang
diproduksi 24 jam dalam tangki berisolasi.
Kapasitas tangki TES sebesar 38014 3m dapat
digunakan sebagai penyuplai air pendingin
untuk 2 turbin gas
Untuk penurunan temperatur ambient hingga
15 0C terjadi kenaikan daya output turbin gas
sebesar 15,14 MW dan kenaikan efisiensi
themal siklus sebesar 3,9 %.
Sumber panas yang didapatkan generator
chiller berasal dari HRSG dengan laju aliran
massa steam sebesar 6,37 kg/s. Hal ini
mengakibatkan penurunan daya output turbin
uap berkurang sebesar 3,27 MW. Hal ini
mengakibatkan daya output yang dihasilkan
oleh turbin uap berkurang. Akan tetap, dengan
adanya sistem pendingin pada absorption
chiller ini daya output yang dihasilkan oleh
turbin gas meningkat sebesar 11,87 MW.
PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi
turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83
MW pada suhu operasi 33 0C, apabila udara
masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C,
diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dan
kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan
daya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari data
operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik
2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip listrik
Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20
tahun, dan total investasi pemasangan sistim
pendingin sebesar USD 11,271,097.-, maka
diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR :
2.06 , IRR : 42.15 % .
Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan
bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun
dengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.
Melihat keuntungan dan penghematan yang
diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin
pendingin untuk menurunkan suhu udara
masuk turbin gas layak dipertimbangkan.
REFERENSI
[1] Forest,M Rizki. (2014). Kajian Absorption
Chiller Untuk Menaikkan Kinerja Pembangkit
Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Jakarta:
Universitas Indonesia.
[2]
Zogg, Robert A.(2005). Guide to
Developing Air-Cooled LiBr Absorptionfor
Combined Heat and Power Applications : U.S
Department of Energy
[3] Sutriyanto, Himawan, Sarwono& Prawoto.
(2011).Pengembangan Small Single-Effek
Absorption Chiller Dengan Daya Pendinginan
10 kW. Tangerang : Puspitek
[4] Angga, A Muhamad. (2008).Perencanaan
Mesin Pendingin Sistem Absorbsi (Lithium
Bromide) Dengan Memanfaatkan Waste
Energy Di PT. PJB Paiton Probolinggo.
Surabaya:Institut
Teknologi
Sepuluh
November
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
[5] Arora, C. P. 2000. Refrigeration and Air
Conditioning. Second Edition. New Delhi :
Tata McGraw-Hill Publishing Company, Ltd.
[6] Zinet, M., Rulliere, R., & Haberschill, P.
(2012). A numerical model for the dynamic
simulation of a recirculation single-effect
absorption chiller. Energy Conversion and
Management, 51–63.
KE-03
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Perencanaan Sistem Pendingin Udara Masuk Gas Turbin 15 o C
Menggunakan Absorption Chiller di PLTGU UBP PRIOK
Agung Subagio¹∙ᵃ , Budihardjo, Rivaldo Garchia¹
Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, Indonesia (16424)
Tel : (+62 21) 7270032 ext. 203. Fax : (+62 21) 7270033
ᵃemail: agsub@eng.ui.ac.id, rivaldo.garchia@ui.ac.id
Abstrak
Menaikan daya output turbin gas dapat dilakukan dengan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas
tersebut, karena daya output turbin gas dapat dihitung dengan perkalian aliran masa udara dengan jatuh
enthalpy pada turbinnya. Dalam PLTGU sudah tersedia uap sebagai penggerak turbin uap, namun
sumber panas tersebut dapat dipergunakan sebagai penggerak mesin Absorbtion Chiller, yang akan
mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas. Beban pendinginan udara dihitung berdasarkan data cuaca
selama 24 jam pada keadaan cuaca maximum dan pola operasi PLTGU serta penggunaan Thermal Energy
Storage (TES) , agar kapasitas mesin pendingin optimal, sehingga tingkat Benefit Cost dan Financial
parameter memenuhi persyaratan perbankan.
Perhitungan beban pendinginan berdasarkan udara masuk turbin gas sebesar 15 0C sesuai standar ISO dan
pola operasi PLTGU selama 12 jam , sehingga 12 jam lainnya merupakan waktu operasi mesin pendingin
untuk menyimpan air dingin didalam TES, yang berguna untuk memperkecil kapasitas mesin pendingin.
Kebutuhan uap sebagai penggerak Absorbtion Chiller diperhitungkan sesuai beban pendingin tersebut,
termasuk penurunan kapasitas turbin uap. Biaya pembangunan pemasangan sistim pendingin dan TES
dihitung, agar dapat menghitung parameter financial seperti Net Present Value (NPV), Internal Rate of
Return (IRR) dan Benefit Cost Ratio (BCR).
PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW pada
suhu operasi 33 0C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C, diperoleh kenaikan daya
turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW.
Dari data operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip
listrik
Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20 tahun, dan total investasi pemasangan sistim
pendingin sebesar USD 11,271,097.- , maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR : 2.06 , IRR : 42.15
% . Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun dengan
asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.
Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendingin
untuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan.
tambahan daya
uadara
masuk
lebih dari 10%, apabila
ke
turbin
diturunkan
temperature 150C. Karakteristik
1.
Pendahulua
Turbin Gas yang terpasang di daerah udara
panas
seperti
Indonesia,
mengalami
penurunan daya output dibandingkan dengan
kemampuannya dari pabrikan, karena diuji
kinerjanya
pada temperatur 150C sesuai
mendekati
daya
output terhadap perubahan
temperature udara masuk, yakni sesuai dengan
perhitungan daya output turbin gas yang
merupakan fungsi dari aliran masa udara
masuk, dimana makin dingin temperature
udara maka akan makin berat udara tersebut,
karena density akan lebih besar, apabila
temperature udara tersebut makin dingin.
Untuk mendinginkan udara masuk ke
dengan standart ISO. Oleh karena itu dengan
temperatur rata-rata 330C khususnya di
Jakarta, menyebabkan penurunan kapasitas out
Turbin Gas cukup berarti, yakni lebih dari
10 %, sehingga potensi tersebut perlu
diberdayakan,
bahkan
akan
mendapat
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
kompresor dari 330C menjadi 150C perlu
mesin
pendingin,
baik
menggunakan
mechanical
refrigeration
atau
dengan
absorbtion refrigeration. Kedua jenis mesin
pendingin tersebut perlu dikaji pemilihannya,
karena menyangkut kinerja mesin pendingin
terhadap daya out put turbin gas yang
dihasilkan, baik dari sisi teknis maupun sisi
ekonomis yang perlu dipertimbangkan.
PLTGU Tanjung Priok Blok 1 terdiri dari 3
unit Turbin Gas (ABB-GT 13 E1)dengan
kapasitas rata rata 130 MW pada kondisi ISO
(150C), sedangkan kondisi temperature
Grafik 4.2 Data temperatur per jam PLTG
Tj Priok tiap bulan
operasional di Tanjung Priok sebesar ratarata 33 0C ( siang hari). Dari data operasi th
2014 diperoleh produksi listrik sebesar
1,059,664.000.- kWh dari 2 unit turbin gas
dengan output rata-rata 100 MW dan pola
operasi 12 jam per hari . Oleh karena itu
apabila temperaturnya diturunkan menjadi
150C, maka akan diperoleh tambahan daya
2.2 Diagram GT + Absorption
Chiller
sebesar 2 x 30 MW: 60 MW.
Perhitungan beban pendingin untuk
mendinginkan udara masuk Turbin gas
menjadi suhu 15 0 C dan penggunaan Thermal
Energy Storage (TES) akan menghasilkan
kapasitas mesin pendingin yang optimal,
sehingga diperoleh biaya investasi tidak terlalu
tinggi dibandingkan keuntungan financial
yang diperoleh .
2.
ANALISIS PERHITUNGAN
2.1
Analisis Kondisi Lingkungan
Gambar 4.1 Skematik PLTG
dengan Absorption Chiller
Diagram diatas menggambarkan komponenkomponen
yang
ada
dalam
sistem
absorption chiller. Absorption Chiller (Sistem
Pendingin Penyerepan Uap) adalah alat
penukar kalor yang berfungsi sebagai
pendingin dengan menggunakanprinsip kimiafisika, dimana sebagai pengganti kompresor
untuk menaikan tekanan refrigerannya terdapat
absorber, pompa dan generator dengan fungsi
yang sama.
Wilayah Tanjung Priok termasuk dalam
daerah beriklim tropis dengan perbedaan
curah hujan yang cukup kecil sekali dan di
pengaruhi oleh iklim musim. Secara umum
daerah tanjung priok memiliki dua musim yaitu
musim kemarau antara bulan April-September
dan musim hujan antara bulan OktoberMaret dimana temperatur rata-rata tiap jam
dan tiap bulannya dapat dilihat dari grafik
dibawah ini. Dalam hal ini tempertaur
udara ambient yang di ambil sebagai acuan
udara masuk turbin gas sebesar 33o C.
2.3 Perhitungan Beban Pendingin
Menentukan panas yang diserap dari
temperatur ambient PLTG TJ Priok hingga
mencapai temperatur yang di inginkan seperti
temperatur standar menurut ISO yaitu 150C .
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
rata- rata tiap jamnya. Untuk mendapatkan
total beban pendingin antara pukul 09.00 –
21.00. Pertama kali kita harus mencari energi
listrik yang dibutuhkan untuk sistem
pendingin tersebut dengan menggunakan
integral fungsi kuadrat grafik diatas.
Dimana ;
= laju massa udara pada PLTG TJ Priok yaitu
467 kg/s
= Kalor jenis udara yaitu 1,006 kJ/kg.K
= Perubahan temperatur ambient menjadi
temperatur yang diinginkan
2.3.1.
Beban pendingin dari temperatur
ambient ke temperatur 150C
Sistem pendingin ini nantinya akan bekerja
selama 24 jam, artinya selama 24 jam
penuh sistem pendingin akan menghasilkan
air pendingin yang akan disalurkan ke cooling
coil untuk mendinginkan udara masuk.
Grafik 4.3 Data beban pendingin dari
temperatur ambient hingga temperatur
150C
Grafik di atas menunjukan beban pendingin
pada PLTG TJ Priok dari temperatur
ambient hingga temperatur standar ISO yaitu
150C tiap jamnya selama 24 jam tiap bulannya.
Maka beban pendinginan yang dibutuhkan
untuk mendinginkan temperatur udara ambient
ke temperatur udara sesuai standar ISO
150C adalah 11034,9 kW.
Dari grafik diatas beban pendinginan yang
akan digunakan berada di titik antara
pukul 09.00–21.00. Hal ini karena, pada pukul
tersebut turbin gas bekerja dan membutuhkan
pendinginan di bagian inlet kompresornya.
2.3.2 Dimensi Thermal Energy Storage
untuk temperatur ambien 150C
Dari perhitungan sebelumnya, beban
pendinginan pada temperatur 150C diperoleh
sebesar 11034,9 kW. Pada PLTG TJ Priok satu
thermal energy storage dipergunakan untuk
mendinginkan 2 turbin gas sehingga beban
pendingin totalnya adalah 22069,8 kW.
Untuk mendapatkan udara masuk ke
Kompresor dengan suhu 150 C, maka perlu
air pendingin dengan suhu minimum 80 C,
dengan ∆T ideal/optimum sebesar 70 C.
Sedangkan suhu air keluar dari cooling coil
Grafik 4.4 Data beban pendingin rata-rata
tiapjamnya dari temperatur ambient hingga
150C
Grafik diatas menunjukkan beban pendinginan
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
0
nominalnya adalah 20 C.
Jika kalor jenis air adalah 4,18 kJ/kg.K ,
maka kebutuhan aliran air dari cooling coil
sebesar :
•
Tout (Chilled Water) = 8o C
•
Tin (Chilled Water) = 20 0C
•
Q = 22069,8 kw (2 turbin gas)
•
Cp =4,18 kj/kg.K
Gambar 4.5Thermal energy
Storage
2.5
Perhitungan
Pendingin
COP
Sistem
Absorption Chiller
Dalam perhitungan siklus absorpsi ini,
refrigeran dan absorber yang digunakan
Water-
Apabila proses pendinginan air pendingin
berlangsung selama 24 jam maka volume
tangki dari Thermal Energy Storage sebesar:
Lithium
yang
Bromide
(LiBr-H O).
Data-data
digunakan dalam perencanaan adalah :
Untuk mendinginkan temperatur udara masuk
kompresor
hingga
mencapai
150C
dibutuhkan ukuran tangki Thermal Energy
Storage dengan volume sebesar 38014 m3.
1. Temperatur kondensasi
: 60°C
2. Temperatur evaporasi
: 1°C
3. Temperatur absorber
: 30°C
4. Temperatur generator
: 110°C
Dalam perhitungan selanjutnya penulis akan
memberikan komparasi perhitungan COP
dengan membedakan variasi temperatur pada
kondenser, evaporator, absorber dan generator
untuk mendapatkan nilai efisiensi turbin paling
tinggi dalam siklus pendingin absorber chiller
ini
2.4 Skematik Thermal Energy Storage
Perlu dijelaskan bahwa Thermal Energy
Storage memiliki 2 suhu air, yakni bagian atas
bersuhu tinggi dan bagian bawah bersuhu lebih
dingin. Hal tersebut terpisah karena air
bersuhu lebih tinggi akan mempunyai density
lebih ringan, dibandingkan dengan air bersuhu
lebih dingin, sehingga air dengan beda suhu
akan terpisah, seperti terlihat dalam gambar
dibawah ini.
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Kondisi Termodinamika
• Titik 6, refrigeran dari kondenser dengan
kondisi saturated liquid
• Titik 8, refgiferan dari evaporator dengan
kondisi saturated vapour :
• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap
air setelah keluar dari generator:
Perpotongan antara T6 dan T4 pada duhring
diagram
4.6 Gambar Duhring Plot Diagram
• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap
air setelah keluar dari absorber:
Perpotongan antara T8 dan T2 pada
duhring diagram
• Titik 2 dan 1 terjadi isoenthalpi
4.7 Gambar Skematik Absorption chiller
• Titik 4 dan 3 terjadi isoenthalpi h4 = h3
• Titik 5, refrigeran panas dalam keadaan
jenuh dari generator :
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
•. Laju massa di Generator dan Absorber
•. Beban Refrigerasi
Laju massa larutan LiBr lemah dan kuat yang
terdapat pada generator dan absorber akan
berbeda beda untuk penurunan temperatur
hingga 150C. Laju massa pada larutan LiBr
lemah dan kuat dapat dicari dengan cara
sebagai berikut:
•. Beban Kondenser
Dengan menggunakan simulasi perhitungan
EES (Engineering Equation Solving) di
dapatlah laju massa aliran larutan LiBr lemah
dan kuat sebagai berikut
•. Beban Generator
•. Beban Absorber
2.5 Grafik perubahan daya dan Efisiensi
Thermal Siklus Dan Daya Output Turbin
Gas GT 13E
•. Coefficient of Performance
•. Laju massa di evaporator
Laju massa yang berada pada evaporator
untuk penurunan temperatur hingga 150C.
Laju massa pada evaporator dapat dicari
dengan cara sebagai berikut:
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Kedua grafik diatas merupakan karakteristik
mesin turbin gas GT13EI terhadap perubahan
temperatur ambient. Terlihat bahwa semakin
rendah temperatur udara ambient yang masuk
kedalam kompresor maka semakin tinggi
efisiensi thermal siklusnya, termasuk daya
output turbin akan meningkat.
Kenaikan Efisiensi Thermal Siklus dan Daya
Output Turbin Gas GT 13E
TURBINE INLET
AIR
15 °C
No.
1.
URAIAN
Kenaikan
15,14 MW
2.
Kenaikan
3,9 %
Effisiensi
Kenaikan daya output dan efisiensi thermal
siklus PLTG oleh absorption chiller didapat
dengan memasukkan variabel temperature
ambient terhadap persamaan grafik spesifikasi
turbin GT 13EI di atas.
2.6 Perhitungan pengurangan daya Steam
Turbin
Pembangkit listrik yang berada pada
PLTGU TJ Priok menggunakan prinsip
combine cycle, artinya selain menggunakan
turbin gas untuk menghasilkan daya listrik,
energi dari gas pembungan turbin digunakan
untuk enghasilkan steam oleh HRSG (Heat
Recovery Steam Generator) sebagai suplai
steam untuk unit pembangkit listrik tenaga uap.
Meskipun dengan adanya sistem pendingin
absorption chiller meningkatkan efisiensi
thermal dan daya turbin gas, namun pada
turbin uap terjadi penurunan daya yang
dihasilkan akibat pemakaian laju aliran massa
steam sebagai pemanas pada bagian generator
chiller. Daya yang terpakai untuk sistem
absorption chiller
Dengan melihat perhitungan di atas, meskipun
daya yang terpakai oleh sistem absorption
chiller sebesar 3,27 MW. Hal ini engakibatkan
daya output yang dihasilkan oleh turbin uap
berkurang. Akan tetapi, dengan adanya system
pendingin pada absorption chiller ini daya
utput yang dihasilkan oleh turbin gas
meningkat sebesar 11,87 MW.
3. Analisis Finansial
Analisis keuangan dihitung berdasarkan data
operasi tahun 2014 , dimana beban tidak 100
%, tetapi hanya 83 MW, sehingga kenaikan
daya output turbin gas 11 MW dan kenaikan
efisiensi
termal
4
%.
Dengan
memperhitungkan biaya EPC, bunga pinjaman
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Bank, diperoleh hasil perhitungan sebagai
berikut :
No.
1.
2.
3.
4.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Description
Investment Cost (USD)
Output Increment per MW
Capacity Increment (MW)
Production Increment (kWh)
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
Financial Assumed
MARR
Economic Lifetime (years)
Tariff (IDR/kWh)
Analysis Result
NPV
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
BCR
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
FIRR
Follower Condition
Peak Condition
Start Stop Condition
TURBI NE INLET AIR TEMPERATURE (°C)
15
20
25
Scenario A
Scenario B
Scenario C
11.271.09
8.455.43
6.764.34
711%
6
9
8%
5%
11
8
5
116.013.07
40.150.00
57.816.00
84.373.14
29.200.00
42.048.00
52.733.21
18.250.00
26.280.00
12%
20
732
12%
20
732
12%
20
732
24.295.97
817.21
6.284.64
17.320.92
245.46
4.221.77
2,06
1,05
1,37
2,02
1,02
1,34
1,79
0,84
1,13
42,15
13,16
20,40
%
40,71
12,47
19,56
%
31,71
8,66
14,66
%
9.332.38
1.145.41
4. KESIMPULAN
Dengan kapasitas pendinginan 11034,9 kW
untuk menurunkan temperatur ambient hingga
15 0C dapat direncanakan sistem pendingin
absorption chiller dengan perencanaan sebagai
berikut:
a. Temperatur Absorber = 30 0C
b. Temperatur Evaporator = 1 0C
c. Temperatur Generator = 110 0C
d. Temperatur Kondensor = 60 0C
Dari perencanaan tersebut didapatkan COP
Sebesar 0,7901.
Perubahan Temperatur pada masing-masing
komponen kondenser, absorber, evaporator dan
generator berpengaruh pada perubahan COP
Thermal Energy Storage (TES) berfungsi
untuk menyimpan air pendingin yang
diproduksi 24 jam dalam tangki berisolasi.
Kapasitas tangki TES sebesar 38014 3m dapat
digunakan sebagai penyuplai air pendingin
untuk 2 turbin gas
Untuk penurunan temperatur ambient hingga
15 0C terjadi kenaikan daya output turbin gas
sebesar 15,14 MW dan kenaikan efisiensi
themal siklus sebesar 3,9 %.
Sumber panas yang didapatkan generator
chiller berasal dari HRSG dengan laju aliran
massa steam sebesar 6,37 kg/s. Hal ini
mengakibatkan penurunan daya output turbin
uap berkurang sebesar 3,27 MW. Hal ini
mengakibatkan daya output yang dihasilkan
oleh turbin uap berkurang. Akan tetap, dengan
adanya sistem pendingin pada absorption
chiller ini daya output yang dihasilkan oleh
turbin gas meningkat sebesar 11,87 MW.
PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi
turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83
MW pada suhu operasi 33 0C, apabila udara
masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C,
diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dan
kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan
daya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari data
operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik
2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip listrik
Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20
tahun, dan total investasi pemasangan sistim
pendingin sebesar USD 11,271,097.-, maka
diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR :
2.06 , IRR : 42.15 % .
Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan
bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun
dengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.
Melihat keuntungan dan penghematan yang
diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin
pendingin untuk menurunkan suhu udara
masuk turbin gas layak dipertimbangkan.
REFERENSI
[1] Forest,M Rizki. (2014). Kajian Absorption
Chiller Untuk Menaikkan Kinerja Pembangkit
Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Jakarta:
Universitas Indonesia.
[2]
Zogg, Robert A.(2005). Guide to
Developing Air-Cooled LiBr Absorptionfor
Combined Heat and Power Applications : U.S
Department of Energy
[3] Sutriyanto, Himawan, Sarwono& Prawoto.
(2011).Pengembangan Small Single-Effek
Absorption Chiller Dengan Daya Pendinginan
10 kW. Tangerang : Puspitek
[4] Angga, A Muhamad. (2008).Perencanaan
Mesin Pendingin Sistem Absorbsi (Lithium
Bromide) Dengan Memanfaatkan Waste
Energy Di PT. PJB Paiton Probolinggo.
Surabaya:Institut
Teknologi
Sepuluh
November
KE-03
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
[5] Arora, C. P. 2000. Refrigeration and Air
Conditioning. Second Edition. New Delhi :
Tata McGraw-Hill Publishing Company, Ltd.
[6] Zinet, M., Rulliere, R., & Haberschill, P.
(2012). A numerical model for the dynamic
simulation of a recirculation single-effect
absorption chiller. Energy Conversion and
Management, 51–63.
KE-03